提高有机太阳能电池电导率的突破

缓慢发展的有机太阳能电池行业终于在寻求优化能量转换方面取得了突破，并且由于实验过程中的意外发现，这一突破来自于用富勒烯分子层——通常称为“巴基球”来诱导电子的过程。 ” 密歇根大学的科学家在试验有机太阳能电池结构时发现了这一发现。研究人员在有机电池的能量产生层顶部添加了两层富勒烯分子，光子在该层撞击太阳能电池以驱逐电子。

他们发现，电子在富勒烯层中移动得更自由，走得更远，并且在电子无法逃逸的地方也产生了“能量井”（技术上称为势阱）。结果是这些电子 - 当与富勒烯分子层一起被诱导时 - 可以移动长达几厘米（与纳米相比），这使它们能够产生更大的电流。

为什么这一突破很重要

众所周知，有机细胞的电子传导性较弱，因为它们在单个分子之间的键合松散。电子在分子之间没有有效的管道，而是经常被困住，最多只能移动几百纳米。在有机太阳能电池中，这种电子俘获是限制这些电子行进距离的主要障碍。如果它们可以在没有阻力的情况下自由穿过结构，它们可以走得更远。这对所有太阳能电池都是一样的，但有机网络对这些电子的穿过提出了更大的挑战。因为电子在被俘获之前行进的距离不够远（它们无法移动），所以它们无法参与电路。这种电子参与的阻碍降低了电池的电导率，反过来，转换效率降低，因为更少的自由流动电子可以循环。因此，由聚合物等非金属半导体组成的有机太阳能电池的效率最高只能达到 13.1%。这种效率水平无法与提供 26.6% 功率效率并在当今太阳能电池板中广泛使用的硅基无机太阳能电池竞争。

然而，有机太阳能电池的几个积极特性突出表明需要进一步研究以提高其效率。例如，除了由于更简单的聚合物加工技术而可能降低成本外，有机太阳能电池还更薄、更灵活和透明。这些特性对于有效地将阳光转化为电能至关重要。此外，在旨在建造净零能耗建筑 (NZEB) 或改造现有结构以提高能源效率的项目中，公司可以将有机太阳能电池集成到结构本身中，例如在屋顶和墙壁上，较重、不灵活的硅-基于无机太阳能电池是不实用或不可行的。这些有机太阳能电池的好处还在于它们具有多种颜色和配置，

突破审查

很明显，需要找到使有机太阳能电池发挥其全部潜力的方法，而最近的这一突破可能就是这样做的。根据密歇根大学题为“半导体突破可能成为有机太阳能电池的游戏规则改变者”的文章，其研究人员从有机电池的发电层开始，光子在该层撞击太阳能电池以驱逐电子。“使用一种称为真空热蒸发的常用技术，它们在 C 60富勒烯薄膜中分层- 每个富勒烯由 60 个碳原子组成。” 他们发现电子在富勒烯层中自由移动，而不是被困在有机分子之间的松散键中。

有趣的是，众所周知，富勒烯是出色的受体分子，因为它们具有可变的杂交状态、再杂交能力和弯曲的拓扑结构。（然而，值得注意的是，自从发现富勒烯在太阳能电池中的用途以来，出现了一种新的高效类别，现在称为非富勒烯受体 (NFA)有机太阳能电池，它具有与富勒烯相似的电子接受特性，但显然是非富勒烯分子。）富勒烯也是电子受限材料，它们包含势（即量子）阱。这意味着一旦电子进入富勒烯分子的势阱，就很难去除电子。使用将富勒烯层夹在中间的电子阻挡层以防止任何电子离开并与空穴重新结合会产生额外的障碍。

电子影响势阱外领域的唯一方式是通过电子隧穿。然而，当你并排放置量子阱时，也就是说，富勒烯分子可以在一层中彼此相邻放置，它们可以形成所谓的“超晶格”。如果量子阱之间的距离小于电子的隧道波函数的范围，则电子波长可以重叠并在势阱之间建立连接，从而使电子（和电流）能够流动。因此，通过将电子捕获在富勒烯层内，分子与分子之间的势阱非常接近，从而使电子能够畅通无阻地流动而没有纠缠的风险。

同样，因为它们可以自由移动并且不能与能量产生层中的空穴重新结合，所以电子可以移动得更远——可达几厘米，而不仅仅是纳米——这使它们能够产生更大的电流。如前所述，这是现在可能的更大电流的结果，不是因为单个电子携带更多能量，而是因为有更多电流（即电荷）载流子在电路周围流动。最终，有机太阳能电池中比电流（和效率）的增加取决于添加富勒烯之前与之后相比有多少电子在系统周围流动。

启示

密歇根大学的研究人员承认，这一发现只是一个开始，还有更多的工作要做，以改进太阳能电池的设计，特别是研究有机材料中还有什么可以成为良好的电子导体。密歇根大学工程学教授 Stephen Forrest 预计，可能需要长达 10 年的时间才能出现主要的有机太阳能电池解决方案。

不过，这一富勒烯发现为有机材料铺平了道路，可用于制造透明太阳能电池，这种太阳能电池在较长距离内非常有效。例如，太阳能电池制造商可以将太阳能电池的导电电极收缩成看不见的网格，并结合有机太阳能电池的其他特性，太阳能电池可以在任何表面上形成叠片，而不会受到阻碍。由于与有机太阳能电池相关的聚合物加工成本较低，这些解决方案对于广泛的应用来说可能相当便宜。也许这一涉及有机太阳能电池的发现的最大突破是，更多的发现导致更多的进步即将出现。

审核编辑 黄昊宇